矿区地表移动变形预计及软件研制

论文摘要

开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一。利用预计的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律,这对于指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要的作用。对于煤层开采引起的地表移动变形预计主要包括了开采后地表移动盆地稳定后的预计以及开采过程中地表移动变形的动态预报。本文主要利用概率积分法预计地表移动盆地稳定后的移动变形量以及建立卡尔曼滤波模型动态预报煤层开采过程中的地表下沉量。概率积分法在我国开采沉陷预计中起到相当重要的作用,本文在详细研究了概率积分法的理论基础上,实现对地表移动盆地主断面上移动变形预计及二维可视化图形的生成,同时实现了对地表移动盆地任意点移动变形预计的电算化,并借助ArcGIS软件生成地表移动盆地三维可视化图形。卡尔曼滤波是一种对动态系统进行数据处理的有效方法。本文将卡尔曼滤波理论运用于采动过程地表移动变形预报,通过建立矿山地表移动的卡尔曼滤波模型,对地表移动观测站多期的观测数据进行滤波估计,进而对观测站的状态进行动态预报。由于煤层开采引起地表移动是一种复杂的动态变化过程,本文通过标准的卡尔曼滤波和自适应卡尔曼滤波两种算法进行滤波预报。经分析比较,在滤波方面,自适应卡尔曼滤波作为一种改进的滤波算法明显优于标准的卡尔曼滤波;而在动态预报中,两种算法对于观测站受煤层开采影响小,即观测站状态变化缓慢的情况,预报效果较好,但当观测站状态出现突变时预报值偏差大,这是要进一步研究和探索的。在上述地表移动变形的预测预报中,都通过实例对预计结果与实测值进行分析比较,同时以面向对象语言VB6.0为编程工具,结合AutoCAD2004,研制了“地表移动变形预计预报系统”软件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 开采沉陷预计的研究意义
• 1.2 开采沉陷预计的发展与现状
• 1.2.1 开采沉陷基本理论的发展综述
• 1.2.2 开采沉陷预计方法的发展
• 1.2.3 开采沉陷预计软件的研究现状与局限性
• 1.2.4 目前开采沉陷研究中存在的问题
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 本文研究的意义和内容
• 1.3.2 本论文的技术路线
• 2 地表移动变形预计的基本理论和方法
• 2.1 地表移动变形预计的基本理论
• 2.1.1 地表移动变形预计的基本概念
• 2.1.2 地表移动变形预计的内容
• 2.2 地表移动变形预计的基本方法
• 2.2.1 基于实测资料的经验方法
• 2.2.2 随机介质理论——概率积分法
• 2.2.3 影响函数法
• 2.2.4 连续介质力学方法
• 2.3 采动过程地表移动变形预计
• 3 地表移动变形概率积分预计方法
• 3.1 概率积分法的基本原理
• 3.1.1 开采沉陷随机介质模型基本解
• 3.1.2 水平煤层半无限开采时的地表移动与变形值的计算
• 3.1.3 有限开采时地表移动盆地主断面移动与变形值的预计
• 3.1.4 地表移动盆地内任意点的移动和变形预计
• 3.2 地表移动和变形的基本参数
• 3.3 顾桥煤矿概率积分法移动变形预计
• 3.3.1 矿区地质采矿条件
• 3.3.2 预计模型的编程实现及算法流程
• 3.3.3 移动与变形预计
• 3.3.4 预计与实测值比较
• 3.4 本章小结
• 4 基于卡尔曼滤波的地表移动预报
• 4.1 卡尔曼滤波的基本原理
• 4.1.1 离散线性系统的卡尔曼滤波
• 4.1.2 动态测量系统的卡尔曼滤波
• 4.1.3 离散线性系统的预测
• 4.2 自适应卡尔曼滤波
• 4.2.1 滤波发散原因及对策
• 4.2.2 自适应卡尔曼滤波原理
• 4.3 卡尔曼滤波在地表移动预报中的应用
• 4.3.1 方案设计
• 4.3.2 滤波模型的建立
• 4.3.3 数据滤波处理
• 4.3.4 状态预报
• 4.4 本章小结
• 5 地表移动变形预计预报软件开发研制
• 5.1 软件简介
• 5.1.1 软件主要功能与特点
• 5.1.2 地表移动变形预计预报系统运行基本过程
• 5.2 软件功能模块介绍
• 5.2.1 概率积分法预计模块
• 5.2.2 卡尔曼滤波动态预报模块
• 5.3 软件存在的问题
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介